两种常用漂浮式风力机平台动态特性分析

分别针对MIT/NREL TLP和Umaine-Hywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究,旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论,建立了平台/缆索系统耦合模型,在水深和外界载荷激励相同的情况下,利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析,研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应,并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明:MIT/NREL TLP平台的动态响应较大,而Umaine-Hywind Spar平台动态响应较小;两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.     

垂荡板对浮式风力机平台动态响应的影响

建立了基于Classic Spar和Cell Spar平台的浮式风力机整机模型,研究2种平台在风波流载荷下的动态响应特性,以及垂荡板及其参数对Cell Spar平台动态响应的影响。结果表明:与Classic Spar平台相比,Cell Spar平台各自由度频域幅值响应算子均显著减小,且峰值对应的频率增大;在相同的当量直径下,附加圆形垂荡板时Cell Spar平台各自由度动态响应最小;随着垂荡板厚度的增大,Cell Spar平台各自由度动态响应均先减小后逐渐平稳;随着垂荡板数目的增加,Cell Spar平台纵荡和纵摇响应逐渐增大,垂荡响应逐渐减小;改变垂荡板透空率对Cell Spar平台纵荡无明显影响,但对垂荡及纵摇影响极大。     

浮式风力机平台动态响应优化研究

为探究漂浮式风力机平台的动态响应及其优化措施,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机模型,并对平台分别附加垂荡板和螺旋侧板。通过辐射/衍射理论并结合有限元方法,考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到各波浪力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。结果表明:附加螺旋侧板可明显降低平台所受一阶波浪力,附加垂荡板效果不明显;附加垂荡板和螺旋侧板可明显抑制平台在垂荡、纵摇方向的运动,对纵荡方向响应抑制效果不明显;平台所受二阶波浪力数值远小于一阶波浪力。     

风波联合作用下10 MW漂浮式风力机Triple Spar平台动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,基于Triple Spar平台建立漂浮式风力机整机模型,运用水动力学软件AQWA,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,实现风波联合作用下漂浮式风力机动态响应的求解,并分析其时频响应特性。结果表明:频域分析中,平台纵荡、垂荡和纵摇一阶波浪激振力及其峰值频率和RAO幅频特性曲线趋势及其峰值频率基本不受波浪入射角度改变影响;时域分析中,波浪载荷主要影响平台纵荡、垂荡及纵摇波频处的运动响应,风载荷则加剧了平台低频处的运动响应,引起了平台纵荡-垂荡耦合运动、纵荡-纵摇耦合运动以及和差频运动。     

螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响研究

为研究螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响,建立基于Spar平台的5 MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到风力机平台在风浪流载荷联合作用下的时域和频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板能否对结构的运动性起到提升作用。结果表明:附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力均受到较大影响;螺旋侧板对缆索张力无明显抑制作用。     

漂浮式风力机Spar平台摇荡运动混沌特征分析

漂浮式风力机Spar平台在非规则环境载荷作用下运动具有很强的随机性和非线性。为分析平台动态响应中的非线性动力学特征,首先建立基于OC3Spar平台的NREL 5 MW风力机整机模型,采用水动力软件AQWA求解Spar平台的运动特性,进一步采用功率谱法、相空间重构以及最大Lyapunov指数法定性、定量两方面判断Spar平台在波、浪、流载荷作用下摇荡运动时间序列的混沌特征。研究表明:Spar平台在低频时运动幅值较大;平台在多重载荷作用下在平衡位置处摇荡运动;平台在纵荡、垂荡及纵摇方向上的运动时间序列具有混沌特征,且3个方向短期可预测时间最大为6.14 s。混沌理论可作为漂浮式风力机平台非线性运动分析的一种新方法。     

漂浮式风力机Spar平台抑制摇荡运动研究

平台稳定性是风力机安全运行的基础保障,以Spar平台为研究对象建立整机模型,在其底部设置摇荡阻尼器,基于水动力学软件并结合有限元方法,研究其在风波载荷作用下的时频域动态响应特性,并与原始Spar平台时域响应进行对比。结果表明:较之于原始Spar平台,摇荡阻尼器对改进后平台的垂荡响应抑制效果最为明显,纵摇次之,纵荡最小。     

垂荡板对浮式风力机Spar平台的动态响应的影响

为探究垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响,利用风压模型模拟风力机风轮的气动载荷,基于势流理论的三维辐射/绕射方法计算波浪载荷,忽略海流沿水深的速度变化且认为海上结构的作用力只由拖曳力组成,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,应用数值计算方法对附有不同数目和不同厚度垂荡板的漂浮式风力机Spar平台进行动态响应分析,得出结构运动的幅频特性。结果表明:随着垂荡板数目的增多,Spar平台的动态响应就越小,附加质量就越大,但其动态响应并未按着线性关系减小,虽有降低平台动态的效果但不明显;随着板厚的增加,整体结构的附加质量也随之增大,纵荡RAO和纵摇RAO减小;垂荡运动响应随着板厚度的增加而减弱,然而在板厚度增加到0.4 m时,整体结构的纵荡和纵摇响应反而会增加。     

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴"铁索连舟"增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

风波作用下新型铰接式平台动态响应研究

风波作用下,漂浮式风力机平台的浮动特性会直接影响上部风力机正常运行。为提高平台稳定性,设计一种新型铰接式平台。基于辐射/绕射与有限元方法,结合叶素动量理论,对比分析了风波作用下新平台与立柱式(Spar)平台时频响应特性。结果表明：在纵荡、垂荡及纵摇自由度上,新平台幅值响应算子随波浪频率增大变化趋势与Spar平台基本一致,但峰值明显减小;新平台附加质量较原平台增大,且垂荡自由度上附加质量增加最明显;时域分析中,新平台3个自由度响应幅值较原平台分别减小约83.9%,61.9%及75.5%,标准差减小约76.4%,60%及77.1%,表现出良好的稳定性;功率谱分析中,新平台响应峰值始终小于原平台,且无响应集中现象,波频性能更优。     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

半潜式波浪能养殖平台与系泊系统的耦合动力分析

以“澎湖号”半潜式波浪能养殖平台为研究对象,开展养殖平台及其系泊系统在浪、流联合作用下水动力性能的研究。基于三维势流理论,应用一阶泰勒展开边界元方法对其频域水动力进行计算,研究不同浪向下平台的运动响应和二阶波浪漂移力。采用间接时域分析方法和异步耦合方法实现平台和系泊系统的时域耦合动力求解,对不同浪流组合工况下平台的时域运动与锚链张力进行分析。研究表明,在南海常规海况中平台稳定性较好,立柱间水动力干扰尤为明显,顺浪时平台所受的二阶波浪漂移力最小。在与系泊系统的耦合作用下,平台的横摇与纵摇运动受入射波浪向的影响较大,入射波波高对顺浪下的平台横摇运动和横浪与斜浪下平台纵摇运动影响明显。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

风波耦合作用下风载荷对两种漂浮式风力机平台动态响应影响

为分析风载荷对漂浮式平台的重要影响，建立了基于单桩式及张力腿平台的漂浮式风力机整机模型，基于叶素-动量理论与辐射/绕射理论，运用水动力软件AQWA并结合有限元方法验证了风载荷及风波耦合的重要性，研究了波浪单独及风波耦合作用下漂浮式平台的时频域动态响应。结果表明：风载荷使平台产生了较大纵荡与垂荡漂移，其产生的倾覆力矩改变了纵摇平衡位置，风载荷使纵荡响应偏离平衡位置较垂荡与纵摇响应明显；对于纵荡响应，风载荷使两平台低频固有频率处的响应峰值增加;对于垂荡响应，风载荷使单桩式平台固有频率处的响应峰值减小，使张力腿平台纵荡-垂荡耦合响应及波浪频率处的响应峰值大幅增加；对于纵摇响应，风载荷使单桩式平台及张力腿平台低频固有频率处的响应峰值大幅增加；风载荷是引起单桩式平台纵荡-垂荡耦合运动的关键因素；波浪载荷是引起张力腿平台纵荡响应幅值较大的关键因素。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应，建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型，运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算，分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内，Barge平台响应主要集中在低频区域，波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大，对垂荡响应影响较小；时域内，纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台；风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大，纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。